管道噪声主动消除系统算法研究及DSP实现

摘要

环境噪声污染的消除近年来备受关注，实际环境中的各种设备噪声传播路径很多以管道为模型。研究管道有源噪声控制技术具有普遍意义和广阔的应用领域。有源噪声主动控制（Active Noise Control，简称ANC）是控制低频噪声非常有效的方法，被应用于管道噪声的控制。
　　本文主要研究管道噪声主动控制技术及其实现方法。介绍了自适应滤波器的基本原理，结构和应用；详细介绍了基于最速下降法的最小均方算法LMS(Least Mean Square）及其收敛准则。对自适应算法中的变步长最小均方算法VssLMS（Variable Step Size Least Mean Square）算法进行了深入研究，具体分析了他们的收敛特性及各参数对算法性能的影响，并对算法的性能进行比较。应用MATLAB软件，对自适应算法在噪声对消中的应用进行了仿真研究，针对各类不同参数和不同输入信号，分析比较了各种情况下的滤波器收敛速度、稳态误差和各算法的优缺点；由于固定步长选取影响收敛速度与稳态误差，而且两者不可兼得，传统VssLMS算法受到收敛条件限制，步长因子取值范围受滤波器阶数影响很大。提出了基于新的调整步长因子规则的改进的变步长IVssLMS算法。并对改进算法和传统算法进行了多种情况下的滤波器收敛特性曲线仿真比较，在滤波器阶数升高时，新算法大幅提高了收敛速度和降低了稳态误差。
　　在理论和仿真研究的基础上，结合先进的数字信号处理技术完成了自适应滤波器的实现方案的设计。基于管道噪声消除试验平台利用DSP控制器实现IVssLMS算法的噪声消除控制。采用C语言和汇编语言混合编程的方法进行编程设计，实现了多种算法的自适应滤波噪声消除系统。同时设计了基于LabVIEW的噪声残余误差实时分析系统，可以对管道噪声消除过程进行检测和实时分析。

目录

管道噪声主动消除系统算法研究及DSP实现

RESEARCH ON ACTIVE NOISE CONTROL IN DUCTS BASED ON DSP PROCESSOR

摘 要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 有源噪声控制技术国内外研究历史和发展状况

1.3 课题的研究内容

第2章 管道噪声自适应有源控制

2.1 自适应有源控制系统

2.1.1 自适应滤波器原理

2.1.2 自适应滤波器的体系结构

2.2 自适应控制器的确定

2.2.1 自适应有源控制器的结构

2.2.2 控制器的比较和选择

2.2.3 本课题自适应控制系统结构模型

2.2.4 次级通路建模

2.3 管道声场分析

2.3.1 声波在管道中传输特性

2.3.2 圆柱形管道的平面截止频率

2.3.3 平面波干涉原理

2.4 本章小结

第3章 自适应滤波算法研究

3.1 最速下降法与线性自适应滤波

3.1.1 最佳滤波准则

3.1.2 自适应线性滤波器结构

3.1.3 最速下降法

3.1.4 收敛条件

3.2 LMS算法分析

3.2.1 LMS算法的原理

3.2.2 LMS算法的收敛条件

3.2.3 LMS算法的性能分析

3.3 LMS自适应滤波器的改进

3.3.1 归一化LMS算法(NLMS)

3.3.2 泄漏LMS算法

3.3.3 极性LMS算法

3.4 本章小结

第4章 变步长LMS算法的改进

4.1 基于传统步长变化规则的算法

4.1.1 基于Sigmoid函数的变步长算法

4.1.2 基于箕舌线的变步长LMS自适应算法

4.1.3 基于抽样函数的变步长算法

4.2 改进变步长算法

4.2.1 基于减函数规则的反正切变步长法

4.2.2 双函数控制步长算法

4.2.3 新算法的控制系数

4.3 新算法与传统算法的仿真对比

4.3.1 单频噪声消除滤波器性能仿真

4.3.2 多复合频率的管道噪声对消仿真

4.4 本章小结

第5章 管道噪声有源控制系统DSP实验平台

5.1 管道主动噪声消除系统总体结构

5.2 管道主动噪声消除系统试验平台

5.2.1 噪声消除系统组成

5.2.2 DSP控制系统简介

5.2.3 系统硬件的选择

5.3 系统软件设计实现

5.3.1 DSP控制器的软件设计

5.3.2 MATLAB产生的声音源数据文件

5.3.3 LABVIEW误差效果检测软件设计

5.4 管道噪声对消实验

5.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢